Por que as redes mesh são usadas com mais frequência nas redes IoT?


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Muitos protocolos de comunicação IoT comuns que pesquisei adotaram uma topologia em malha (por exemplo , ZigBee , Thread e Z-Wave ), que contrasta significativamente com a topologia em estrela usual do Wi-Fi, onde cada dispositivo se conecta a um roteador / hub .

A EETimes também afirma que:

A rede em malha está emergindo como uma solução de design ideal para interconectar um grande número de dispositivos de rede.

O EETimes sugere que as melhorias de confiabilidade (por exemplo, transmissões de autocorreção) são uma das principais vantagens de uma rede em malha, embora isso pareça uma pequena vantagem em comparação com a complexidade adicional de configurar uma rede em malha.

Para uma rede IoT doméstica com probabilidade de conter de 10 a 20 dispositivos em rede e espalhar um curto intervalo de ponta a ponta, o que torna as redes mesh mais adequadas do que uma topologia em estrela comum? A complexidade adicionada não é tão significativa quanto pareço acreditar?

Respostas:


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TL; DR: Economia

Rede de malha com fio x topologia em estrela

Bem, a Internet é uma rede mesh. Por quê? Porque a DARPA queria que funcionasse mesmo que metade dos Estados Unidos fosse bombardeada no esquecimento se a guerra fria estivesse quente. Os militares queriam uma rede altamente confiável que não dependesse de nenhum nó. A malha ou, pelo menos, a malha parcial de seus nós da rede, proporcionará essa confiabilidade. A principal desvantagem das redes de malha (com fio) é que elas não são muito econômicas. Eles custam muito. Cabear todos os componentes a todos os outros componentes é muito caro. Portanto, a espinha dorsal da WAN da Internet das Coisas já é uma rede de malha com fio .

A topologia em estrela precisa de apenas um cabo por nó, enquanto a malha usa até n * (n-1) / 2 para uma malha completa. O cabeamento para redes mesh fica muito mais caro muito rapidamente. Assim, a topologia em estrela emergiu como o padrão dominante.

Agora (principalmente) novas redes mesh sem fio

O estabelecimento de redes de malha sem fio contorna a principal desvantagem das redes de malha com fio . Não há custo de cabeamento para criar uma rede mesh sem fio. Assim, a criação de redes mesh sem fio combina a confiabilidade que os criadores de rede sempre desejaram com o baixo custo de poucos cabos e, claro, todas as outras vantagens de ser sem fio.

No entanto, ainda existem algumas desvantagens das redes mesh. Os nós precisam ser relativamente inteligentes para o roteamento em comparação à simples conexão com um nó central. O ZigBee usa o Roteamento vetorial por distância ad hoc sob demanda , que requer tabelas de roteamento em cada nó. Também é necessária uma certa capacidade duplex dos nós para tornar a rede eficiente. Levar isso para um microchip com capacidade sem fio e de baixo custo levou algum tempo. Hoje nós temos esses chips.

Para que uma rede em malha funcione corretamente, é necessário haver nós suficientes. Na verdade, fica mais eficiente com mais nós (que se conectam a pelo menos dois existentes). Assim, a Internet das Coisas, onde tudo pode funcionar como um nó, é uma combinação óbvia para redes em malha. Embora outras topologias possam se entupir com mais nós, as redes de malha realmente começam a brilhar lá e se tornam mais rápidas e confiáveis ​​quanto mais nós forem adicionados.

Sua rede de 10 a 20 nós

Para uma configuração doméstica inteligente com uma ou duas dúzias de dispositivos, há algumas coisas a considerar em relação à topologia. Em primeiro lugar, o ZigBee também suporta topologia em estrela. Em segundo lugar, qualquer tipo de roteamento de vetor de distância geralmente funciona com valores de vetor ponderados. Assim, em uma configuração de casa inteligente, a conexão direta pode muito bem ser classificada como mais alta e você terá uma topologia em estrela com defeito, mesmo quando estiver configurada como uma malha.

Somente o dispositivo que está fora do alcance de um componente central, como uma Hue Bridge (ou que classifique a conexão direta como ruim), fará uso da topologia de malha. Para esses dispositivos , a rede em malha é essencialmente uma extensão de baixa latência para sua rede. Portanto, você não precisa comprar outro nó central. Isso economiza dinheiro. Portanto, a mesma coisa que matou redes de malha com fio amplamente difundidas torna as redes de malha sem fio tão atraentes hoje em dia. Economia.


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As redes mesh tendem a oferecer melhores opções de configuração local para uma rede IoT. A extensão de alcance já mencionou qual rede de malha, como cada dispositivo na rede, ajudará a tornar a rede maior do que cada dispositivo estaria sozinho. Outro aspecto importante é como as mensagens são roteadas. Enquanto alguns dispositivos permanecem estacionários, outros podem ser movidos. Isso pode dificultar o roteamento de mensagens de uma maneira típica, mas uma rede em malha poderá lidar melhor com isso, pois todos os nós poderão procurar o dispositivo em questão.

Um exemplo prático disso no trabalho é em uma rede ZWave, onde você pode redescobrir todos os nós da rede, para que o controlador e outros nós possam descobrir o melhor caminho para as mensagens e quais nós podem conversar com os quais, com e sem retransmitir a mensagem em uma rede. dispositivo diferente. Mais informações sobre isso podem ser vistas nesta página na seção "Malha e roteamento" .


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A IoT é frequentemente usada em contextos de automação residencial (sensores de porta, tomadas de parede, ...) e eles tendem a estar muito distantes um do outro, especialmente em casas grandes. Portanto, uma rede em malha permite que os objetos cubram o problema da distância.

Além disso, todos esses dispositivos de IoT devem ficar com pouca energia, para que não sejam desperdiçados em comunicações de longa distância.

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